二维流热耦合数值模拟程序及方法研究

本文发展了一套二维流热耦合数值模拟程序,流体域中采用结构化网格,固体域中采用非结构化网格,流体域和固体域耦合面上的网格为非匹配连接。为了使该程序能够同时模拟低速不可压流动,程序中还加入了预处理方法。此外,本文还发展了一种能较好保持通量守恒的界面插值技术,来处理流体域和固体域耦合面上的非匹配网格。数值计算结果与实验值或商业软件结果的对比表明:本程序中的预处理方法有效地改善了低速不可压流动下的计算收敛性和收敛精度,使本程序能够同时模拟高速和低速不可压流动;扩压器和叶栅的流热耦合计算表明本文程序在流热耦合计算方面具有较好的模拟能力,同时也表明本文发展的界面插值技术的可靠性。     

固体火箭发动机燃烧室三维流场数值模拟

利用ＳＩＭＰＬＥ方法数值求解层流Ｎ－Ｓ方程，模拟了具有移动边界的固体火箭发动机燃烧室内的三维流场。网格划分采用交错网格技术，流场计算时不进行网格划分，而是直接读取网格点的值，将网格划分与流场计算分开，解决了现有计算机内存不够的问题，计算获得了满意结果。     

任意平面域的三角形网格和混合网格生成

本文以阵面推进法为基础,给出了一种可对任意平面域进行三角形网格和混合网格自动生成的方法。该方法包含了易于生成与调控的矩形背景网格技术,简便的外形输入和初始阵面划分技术,加速查寻的数据结构,以及节点松弛和基于Ｄｅｌａｕｎａｙ准则的对角线交换技术。网格生成的实例表明,方法能快速可靠地生成任意平面域的高质量三角形网格和适于粘性计算的三角形／四边形混合网格,具有较好的通用性与实用性。     

非结构动网格生成的弹簧-插值联合方法

 提出了基于弹簧法的两点改进,以解决边界发生大变形时的非结构网格变形问题。为了使边界运动引起的网格变形能更好地由边界传递到内部网格中,提出了一种新的基于Delaunay网格插值的弹簧倔强系数逐层改进方法。为了提高弹簧法的计算效率,引入背景网格和直接插值方法,提出了弹簧-插值法。弹簧-插值法首先生成计算域的背景网格(粗网格),然后由弹簧法求解边界运动引起的背景网格变形,最后利用变形后的背景网格直接插值得到计算网格的变形。算例结果表明：改进后的方法一方面有效地提高了动网格的变形能力和变形后的网格质量;另一方面通过降低弹簧法的求解规模,显著地提高了动网格的变形效率。     

复杂曲面边界槽五座标数控加工的刀位计算

以两种较简单的加工──交线及底曲面的刀位计算结果产生槽加工的刀位数据。提出了刀具位置边界槽及基于边界槽的刀位计算方法。该算法中刀心位置由底面加工的刀心轨迹相对边界槽裁剪而得;刀轴矢量由边界槽空间网格划分产生。提出并证明了用于获得无干涉的和均匀变化的刀轴矢量的空间网格划分的准则。本文算法可对带岛屿及复杂曲面边界的槽进行五座标数控加工的刀位计算。     

用代数法生成飞机翼型进气道等复杂形状物体的网格

本文论述了研制网格生成软件对于促进计算流体力学研究和应用的重要意义。着重介绍了网格生成的多面方法,编制了多面法网格生成程序,生成了飞机翼型、进气道等复杂形状物体的网格.该方法可快速生成二维或三维边界正交网格,同时还可有效地控制区域内网线的分布和边界上网格点的分布.     

应用混合网格分析复杂积冰翼型气动性能

通过发展一种点-点对接的结构/非结构混合网格生成方法,避免了复杂积冰外形难以划分结构化网格的问题,并对复杂积冰翼型的气动性能进行了分析计算.在靠近积冰边界的内层采用了非结构网格以拟合复杂的边界,在非结构网格外采用结构化网格以节省存储空间和计算时间.为了检验网格对选用湍流模型的影响,整个流动区域分别采用SST和SA湍流模型,求解了雷诺平均N-S方程.数值计算结果表明SST模型更适于模拟复杂分离流动,积冰对翼型的气动性能造成了严重的影响.     

气动弹性计算中网格变形方法研究进展

网格变形是气动弹性计算中实现计算网格随运动边界变形的主要方法。在总结目前网格变形方法发展现状的基础上,对近几年常用的网格变形方法,即弹簧法、弹性体法、超限插值法、Delaunay背景网格法、径向基函数插值法和温度体法等做了简要的总结。根据各方法构建模型的不同,将它们分成物理模型法、数学插值法和混合方法3类,简要介绍了各方法的基本思想和研究进展,重点比较了各方法的网格变形特性（变形能力、变形质量和变形效率）和优缺点。总结了当前流场边界与结构边界的数据传递方法,对当前气动弹性计算中遇到的网格变形的难点问题作了简要评述并对未来网格变形方法的发展方向进行了探讨。     

聚合多重网格法在旋翼前飞流场计算中的应用

基于非结构动态嵌套网格, 将聚合多重网格方法引入到旋翼的前飞流场计算中.从初始的整体非结构网格出发, 快速建立相互重叠的两个子域网格, 同时无需建立背景网格便可以确定初始洞边界和初始插值贡献单元, 且动态嵌套时无需更新洞边界, 并采用了一种无需背景网格便可快速查找新的贡献单元的方法.分区利用聚合法生成多重网格, 利用双时间方法分区运用三层网格V循环求解非定常Euler方程, 两区的流场参数在重叠区实现耦合, 对旋翼的前飞流场进行了计算.结果表明, 多重网格方法能够有效地加快旋翼前飞流场收敛.      

复杂外形飞行器多块结构贴体网格生成

通过求解椭圆型方程生成三维贴体坐标网格,采用分块技术生成多块结构网格体系。每个子区域转换成计算空间内的立体域,具有自身的曲线坐标系,从而所形成的整个网格系统不会过分扭曲和不规则,这将有利于对于复杂边界的真实飞行器绕流流场的求解。文中讨论了控制函数对网格生成的影响。     

复杂积冰翼型气动性能分析

为了克服复杂外形难以划分结构化网格的问题, 采用结构/非结构混合多块网格对复杂积冰翼型的气动性能-进行了分析计算.在靠近积冰边界的内层采用了非结构网格, 在非结构网格外采用结构化网格以节省存储空间和计算时间.不同类型网格之间采用了点点对接的方式以简化通量重构的处理方式.整个流动区域采用SST湍流模型, 求解了雷诺平均N-S方程.数值计算结果表明结构/非结构混合多块网格在复杂积冰翼型气动性能计算上的可行性, 积冰对翼型的气动性能造成了严重的影响.      

任意平面域的三角形网络和混合网络生成

本文以阵面推进法为基础,给出了一种可对任意平面域进行三角形网络和混合网络自动生成的方法。该方法包括了易于生成与调控的矩形背景网络技术,简便的外形输入和初始陈面划分技术,加速查寻的数据结构,以及节点松驰和基于Ｄｅｌａｕｎａｙ准则的对角线交换技术。网格生成的实例表明,方法能快速可靠地生成任意平面域的高质量用角形网格和适于粘性计算的三角形／四边形混合网络,具有较好的通用性与实用性。     

改进的电热除冰系统仿真

建立了电热除冰系统矩形微段的二维简化物理模型,采用焓法模型建立相变导热问题的微分控制方程,用控制容积法对该模型的控制方程及其边界、初始条件进行离散,使用块修正技术对原有的离散方程组的求解方法进行了改进,得到各个时刻的温度分布及冰的融解情况.计算结果与文献实验结果吻合,验证了改进的算法和程序的正确性.并计算分析了时间步长的选择、网格的划分对计算结果的影响.      

一种基于双重空间网格结合的高效DSMC实现方法

基于双重空间网格结合策略，发展了一种高效率的贴体DSMC（direct simulation Monte Carlo）方法。通过将仿真分子在物理空间结构网格的位置坐标映射于计算空间的直角网格中，并在计算空间中完成分子所属网格单元的定位以及分子与边界是否发生作用的判断，从而结合结构网格的贴体性和直角网格的高效率计算的优点，提高DSMC方法的贴体性和计算效率。基于双重空间网格结合策略，通过直接映射和间接映射法分别建立DSMC程序，对微尺度收缩扩张喷管气体流动和超声速圆柱绕流进行模拟。数值结果表明：两种方法均很好地模拟出微喷管因尺度缩小导致的黏性效应和速度滑移现象以及超声速圆柱绕流发生的激波现象，具备有效性。与传统结构网格方法对比，两种方法的计算效率平均分别提高了3.85倍和2.85倍，具备高效性。     

用POISSON方程生成绕二维翼型及其它形状物体的网格

本文是在文献[1]的基础上,发展了用 Poisson 方程生成绕二维翼形和其它形状物体的有限差分网格的方法,对于非齐次项的处理,利用自动选择施加于内、外边界上的两个重要因子来实现:第一个因子控制与边界相交的网格线上网格点之间的距离,第二个因子控制网格线与边界的交角;并对计算方法和控制参数进行了详细的讨论。用 FORTRAN 语言编制了实现此方法的计算程序,给出了一组算例。     

改进的电热除冰系统的仿真方法

建立了电热除冰系统矩形微段的二维简化物理模型，采用焓法模型建立相变导热问题的微分控制方程，用控制容积法对该模型的控制方程及其边界、初始条件进行离散，使用块修正技术对原有的离散方程组的求解方法进行了改进，得到各个时刻的温度分布及冰的融解情况。计算结果与国外文献结果吻合，验证了改进的算法和程序的正确性。并计算分析了时间步长的选择、网格的划分对计算结果的影响。     

基于等几何法的叶片电解加工过程仿真方法研究

航空发动机叶片具有复杂的加工边界,其电解加工的过程仿真是加工预测的重要手段.而传统基于有限元法的腐蚀过程仿真需要反复划分网格,且存在边界上计算精度不足的问题.提出利用等几何法原理提升叶片电解加工数值仿真精度的思路,采用NURBS基函数替代原有拉格朗日基函数建立加工间隙物理场的求解方程组,解决由于NURBS基函数在边界处非插值特性引起的Dirichlet边界条件施加误差.将阳极边界的腐蚀位移转化为其控制顶点位移,避免反复划分网格所占用的计算时间,提升过程仿真精度.最后,通过试验证明该方法的有效性.     

可压缩流动模拟的多重网格-扰动域推进方法

针对可压缩流动数值模拟的加速需求，在作者前期提出的扰动域推进计算框架下，融入多重网格加速技术，提出了多重网格-扰动域推进方法。建立了粗、细网格上动态计算域的更新逻辑与高效算法，并针对多重网格方法的特点，对粗网格初始化、增大对流动态域等步骤进行了改进。设计了新型粗网格生成策略，可消除结构网格粗网格生成对单元数目的限制。典型算例验证表明，多重网格-扰动域推进方法可同时降低粗、细网格上的计算量并减少总迭代步数；通过在粗、细网格上同时采用随数值扰动传播而增大、随求解收敛而缩小的动态计算域，多重网格-扰动域推进方法可在传统多重网格方法加速的基础上再将计算效率提升57.9%。     

基于DDB的二维/轴对称三波交汇流场数值模拟

采用运动间断边界拟合算法,在运动网格下求解二维与轴对称欧拉方程组,对脱体激波、锥面波、三波交汇等多种稳态波系进行数值模拟,精确得到了多种典型激波形状、波后流场及波系结构。本文提出的运动间断边界拟合算法,系基于经典计算流体力学方法、R-H运动间断条件、运动边界条件和Delaunay背景网格技术,由指定的网格块边界拟合待求激波,并以网格分块方式解决多道波相交问题。通过引入轴对称形式欧拉方程组,直接将此算法推广至轴对称流动领域,并精确拟合了锥面波相交问题。算法精度高,易于在CFD程序基础上实现,可用于超声速飞行器进气道压缩面、唇口设计以及乘波体设计。     

轮盘最小重量设计

文中提出用一种纵向搜索——横向移动的直接优化方法来进行盘的最小重量设计。首先得出由一系列的局部最优点组成的可行域的应力约束边界,再经总体选优后,得出一个在旋转离心力、叶片拉力和非均匀温度场作用下满足强度要求的重量最小的盘。 应力分析用有限元素法。由于采用一种过渡等参元,使网格划分变得很方便。 最后,给出由OPDISK程序设计出的优化盘的例子。结果令人满意。